9 月 21 日,第二届 BEYOND 国际科技创新博览会(以下简称 “BEYOND Expo 2022”)开幕式在 BEYOND Metaverse 中重磅举行。本次 BEYOND Expo 联合工银澳门打造消费科技峰会,和全球顶尖科技企业和代表共同探讨创新居家科技、个人科技、出行科技等新兴细分领域的应用,共同探讨新技术的应用赋能行业变革及新的机遇、推动消费科技业态变革,展望消费科技发展趋势。

在本次消费科技峰会上,BEYOND Expo 联合创始人、动点科技创始人卢刚博士对话西湖大学材料科学讲席教授黄嘉兴,共同探讨了石墨烯的基础特性和未来前景。

祛魅石墨烯

作为一种新兴并且广泛运用的材料,石墨烯原本就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。1 毫米厚的石墨大约包含 300 万层石墨烯,它是由一层碳原子以六角形蜂巢结构周期性紧密堆积构成的二维碳材料。

“人们很早就发现了石墨,但直到 2004 年,两位英国科学家用一种非常简单的实验方法突破了原有理论认知。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断这样操作,薄片越来越薄,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片,即石墨烯。理论上虽不可能成功,实验中却偏偏被制备出来了。这个发现立即震撼了科学界,两位发现者共同获得了 2010 年诺贝尔物理学奖。” 黄教授解释道。

石墨烯具有很多神奇性能,因此号称 “新材料之王”:它是最薄的材料,因为它仅有一个原子层;它是强度最大的材料,理论上强度比钢强韧 200 倍;它是导电性最好的材料,电导率是银的 1.6 倍;它是导热性最好的材料,热导率是铜的 13 倍。

石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC 外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。石墨烯层数越少,性能越独特,相应的制备难度越大,成本越高。

石墨烯运用广泛,目前新能源汽车产业中将石墨烯用作锂离子电池的导电添加剂,使电池充电速度更快、电容量提升;还可以将其添加进防腐涂料中,节省防腐涂料中较贵的锌含量,并提升防腐性能;在大健康领域,可以利用其导热性能制作眼罩、护膝等理疗产品;还比如采用了石墨烯触摸屏、电池与导热膜的石墨烯手机等。

在 2019 年世界移动通信大会上,就设有石墨烯专门展厅,展示了石墨烯在数据通信、传感器、物联网、可穿戴设备、新能源等领域的应用。比如,用石墨烯做的超灵敏电子传感器可检测有害气体,用石墨烯做的宽带图像传感器能同时探测可见光与红外光等。

从石墨烯到材料科学方法论

黄教授曾经的课题组利用石墨烯代替有毒的分子制备更安全的染发剂。只需要十分钟,石墨烯在头发表面形成一层均匀的薄膜,厚度约 2 微米。研究者对比了清洗前后的头发颜色,至少可以抵御 30 次的洗发水清洗而不明显褪色。换句话说,即使你每天洗头,也可以至少保证 1 个月不褪色。

黄教授坦言,他看好石墨烯未来在纤维方面的前景。“你的衣服如果可以用手机控制并增加新的功能,是一件有趣的事情。比如传导功能,通过手机 APP 定制你今天想要的花纹,你就能根据心情和衣服尺寸主动选择调整。”

不仅如此,将来还可以把石墨烯做成用来提升人的综合感知的基础材料,人的视觉、触觉、听觉可以被极大增强。“所有的这些增强的技术里面,最根本的一些技术都是基于电驱动的,所以一定需要人体与自然之间的电界面,电界面不需要非常导电但一定需要够薄够舒服,而且不易察觉。我们通过人工智能来增强和辅助思考力和处理复杂数据的能力。”

信息加工过程中所使用的数据处理的算法,实际上可以被材料学家利用来做材料表面性能的设计。“简单地说,数据存储的光碟表面的光学性质是可以由数据压缩到算法来定制的,可以得到物理性能可调的表面,同时又储存了信息,把虚拟的数字世界、信息世界、实体材料世界结合在一起。”

他表示,人体内各种神经传导也都是靠电信号,所以将来需要有像石墨烯这样的基础性材料,来帮助我们设计更好的人机界面,将人们所有的感知全部释放出去。

最后,黄教授认为材料科学的精髓就是这个 Stucture Properties Philosophy(结构特性哲学)。“特别强调一点结构是非常丰富的概念,不仅包括很多个空间尺度,还要考虑到微结构。材料的结构并不是永远不变的,在不同的时间尺度表现非常不一样的特性,不仅仅随着时间的演化,特别有趣的地方是当你去研究和使用材料,还考虑时间和空间尺度。” 他指出他在材料领域内的最大兴趣就是材料加工,“因为这是源头,你把源头做好能推动很多下游的东西,成功不必在我,而功力必不唐捐。”